(Phys.org) —Graphène, un matériau constitué d'un réseau d'atomes de carbone, un atome d'épaisseur, est largement présenté comme étant le matériau le plus conducteur d'électricité jamais étudié. Cependant, tout le graphène n'est pas le même. Avec si peu d'atomes constituant la totalité du matériau, l'agencement de chacun a un impact sur sa fonction globale.

Maintenant, pour la première fois, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont utilisé un microscope de pointe pour étudier la relation entre la géométrie atomique d'un ruban de graphène et ses propriétés électriques.

Une compréhension plus approfondie de cette relation sera nécessaire pour la conception de circuits intégrés à base de graphène, puces informatiques et autres appareils électroniques.

L'étude a été menée par les professeurs A.T. Charlie Johnson et Marija Drndić, tous deux du département de physique et d'astronomie de la Penn's School of Arts &Sciences, avec Zhengqing John Qi, un membre du laboratoire de Johnson, et Julio Rodríguez-Manzo du laboratoire de Drndic. Chanté Ju Hong, puis membre du laboratoire de Johnson, également contribué à l'étude.

L'équipe Penn a collaboré avec des chercheurs du Brookhaven National Laboratory, l'Université catholique de Louvain en Belgique et l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud.

Leur étude a été publiée dans la revue Lettres nano .

Les expériences de l'équipe ont été rendues possibles par le microscope électronique à transmission à correction d'aberration de Brookhaven, ou AC-TEM. En focalisant le faisceau d'électrons du microscope, les chercheurs ont pu découper de manière contrôlée des feuilles de graphène en rubans d'une largeur aussi petite que 10 nanomètres, tout en les maintenant connectés à une source d'électricité à l'extérieur du microscope. Ils pourraient ensuite utiliser la résolution nanoscopique de l'AC-TEM pour distinguer les atomes de carbone individuels au sein de ces rubans. Ce niveau de précision était nécessaire pour déterminer comment les atomes de carbone sur les bords des nanorubans étaient orientés.

"Nous relions la structure du graphène - son arrangement atomique - à ses propriétés de transport électrique, " dit Drndić. " En particulier, nous regardions les bords, dont nous avons pu identifier la géométrie."

"Le graphène ressemble à du grillage à poules, et vous pouvez découper ce réseau hexagonal d'atomes de carbone de différentes manières, produire différentes formes sur le bord, " dit-elle. " Mais si vous coupez dans un sens, il pourrait se comporter plus comme un métal, et, si vous le coupez d'une autre manière, cela pourrait être plus comme un semi-conducteur.

Pour n'importe quel morceau de graphène, les côtés pointus ou plats de ses hexagones de carbone peuvent être au bord de la pièce. Où les côtés pointus sont tournés vers l'extérieur, le bord a un motif "zig-zag". Les côtés plats produisent un motif "fauteuil" lorsqu'ils sont sur un bord. Tout bord donné peut également afficher un mélange des deux, selon la façon dont le morceau de graphène a été initialement coupé et comment ce bord se dégrade sous contrainte.

Parce que les nanorubans de graphène étaient connectés à une source d'électricité alors qu'ils étaient à l'intérieur de l'AC-TEM, les chercheurs ont pu simultanément tracer le contour des rubans et mesurer leur conductivité. Cela a permis de corréler les deux chiffres.

« Si vous souhaitez utiliser des nanorubans de graphène dans des puces informatiques, par exemple, vous devez absolument avoir ces informations, " Johnson a dit. " Les gens ont regardé ces rubans au microscope, et les gens ont mesuré leurs propriétés électriques sans les regarder mais jamais les deux en même temps."

Après avoir étudié les nanorubans avec des niveaux de flux d'électrons relativement faibles, les chercheurs ont augmenté l'intensité, un peu comme allumer une ampoule à l'aide d'un gradateur La combinaison du bombardement d'électrons du microscope et de la grande quantité d'électrons circulant à travers les nanorubans a entraîné une dégradation progressive de leurs structures. Lorsque les liaisons carbone au sein des nanorubans se sont rompues, ils sont devenus plus minces et la forme de leurs bords a changé, fournissant des points de données supplémentaires.

"En faisant tout au microscope, " Rodriguez-Manzo a dit, "on peut juste suivre cette transformation jusqu'au bout, mesurer les courants pour les nanorubans même lorsqu'ils sont inférieurs à 1 nanomètre de diamètre. C'est cinq atomes de large."

Ce type de test de résistance est essentiel pour la conception future de l'électronique au graphène.

"Nous devons voir combien de courant nous pouvons transporter avant que ces nanorubans ne se désagrègent. Nos données montrent que ce chiffre est élevé par rapport au cuivre, " Rodríguez-Manzo saLes conditions difficiles ont également fait que certains rubans se sont repliés sur eux-mêmes, produire des boucles nanoscopiques de graphène. Heureusement, l'équipe a découvert que ces boucles avaient des propriétés souhaitables.

"Quand les bords s'enroulent et forment les boucles que nous voyons, " Johnson a dit, "il aide à maintenir la structure ensemble, et cela rend la densité de courant mille fois plus élevée que ce qui est actuellement l'état de l'art. Cette structure serait utile pour créer des interconnexions [qui sont les chemins conducteurs qui relient les transistors ensemble dans des circuits intégrés]. »

Les recherches futures dans ce domaine impliqueront de comparer directement les propriétés électriques des nanorubans de graphène avec différentes largeurs et formes de bords.

"Une fois que nous pourrons couper ces nanorubans atome par atome, " Drndić a dit, "Nous pourrons faire beaucoup plus."